Патриша Бърчат хвърля светлина върху тъмната материя

Като атомен физик, аз изследвам елементарните частици и как те си взаимодействат на първично ниво. През по-голямата част от изследователската си кариера аз използвам ускорители, като електронния ускорител в Станфордския университет, за да изучавам частиците с най-малък размер. От известно време обаче обърнах вниманието си върху глобалните неща във Вселената. Защото -- както ще стане ясно -- въпросите, отнасящи се до най-малките и най-големите явления, са взаимосвързани. Ще ви разкрия как гледаме на Вселената през 21 век, от какво е направена, и кои въпроси стоят пред физичните науки -- или поне най-важните от тях.

Наскоро осъзнахме, че обикновената материя във Вселената -- под обикновена имам предвид вас, мен, планетите, зведите, галактиките -- тази материя образува само няколко процента от състава на Вселената. Около една четвърт (или почти толкова) от материята на Вселената е невидима. Под невидима имам предвид, че не се абсорбира от електромагнитния спектър. Не се излъчва в електромагнитния спектър. Не се отразява. Не се влияе от електромагнитния спектър, а той е нашият основен детектор. Не се влияе от нищо. Как тогава знаем, че е там? Знаем, че съществува заради гравитационния й ефект. Всъщност, тази тъмна материя доминира гравитационните ефекти във Вселената в голям мащаб, и смятам да ви предоставя доказателства за това.

Какво имаме още тук? Останалата част от пая заема тази мистериозна субстанция, наречена тъмна енергия. Повече за нея след малко. Засега нека се заемем с тъмната материя. В някои галактики, особено в спираловидните като тази, по-голямата част от масата на звездите е концентрирана в средата на галактиката. Огромната обща маса на тези звезди ги държи в кръгообразна орбита. Така че звездите обикалят в окръжности като тази. Както можете да си представите, по законите на физиката, дори по интуиция -- звездите, които са по-близо до централната част, се въртят по-бързо от тези в периферията.

Така че ако измервате орбиталната скорост на звездите, тя трябва да е по-бавна по краищата, отколкото в средата. С други думи, ако погледнем на скоростта като функция на разстоянието -- това ще е единствената графика, която ще покажа -- скоростта на въртене би трябвало да намалява при увеличаване на дистанцията от центъра на галактиката. Когато направихме измервания, обаче, открихме, че скоростта си остава постоянна като функция на разстоянието. Това означава, че най-външните звезди изпитват ефекти на гравитацията, които не са ни познати. Всъщност, тази, както и всяка друга галактика изглежда са обхванати от облак от тази невидима тъмна материя. Този облак от материя е доста по-сферичен от самите галактики и се простира на много по-голяма площ от тях. Ние се фиксираме само върху галактиката, а всъщност облакът от тъмна материя е доминиращ за нейната структура и динамика.

Галактиките не са безразборно разпръснати в пространството; те проявяват склонност към групиране. Това е пример за една доста известна галактична група : клъстерът Кома. В него има хиляди галактики. Те са тези бели, мъгляви, елипсовидни обекти тук. Ако заснемем сега тези галактични групи, и още веднъж след 10 години -- те ще изглеждат идентично. Но тези галактики в действителност се движат с изключително висока скорост. Те се въртят в гравитационната среда на своя клъстер. Така че те се движат. Ние можем да измерим скоростта на галактиките, техните орбитални скорости, и да разберем каква е масата на целия клъстер.

И отново откриваме, че масата там е много повече, отколкото може да бъде обяснено от галактиките, които виждаме. Или ако погледнем към друг аспект от електромагнитния спектър, виждаме също, че в клъстера има много газове. Това обаче не дава обяснение за тази маса. В действителност се оказва, че плътността в невидимата или тъмна материя е 10 пъти повече, отколкото в обикновената материя. Щеше да е добре да можем да видим тъмната материя. Слагам това синьо петно тук, за да ви припомням, че съществува. Можем ли да я визуализираме? Да, можем.

Нека ви покажа как може да стане това. Първо ни трябва наблюдател: може да е око, а може и телескоп. После допускаме, че тук във Вселената има галактика. Как бихме могли да я видим? Лъч светлина напуска галактиката и пътува през Вселената може би милиарди години преди да бъде уловен от окото или телескопа. Сега, как разбираме къде е галактиката? Правим заключение от посоката, от която лъчът навлиза в зрителното ни поле, нали? Да кажем, че лъчът идва оттук; галактиката трябва да е там. Да предположим, че по средата сложа клъстер от галактики -- без да забравяме за тъмната материя, нали. Ако вземем нов светлинен лъч, идващ оттук, трябва да имаме предвид предвиждането на Айнщайн, което развива с теорията на относителността. А то е, че в следствие на масата, гравитационното поле отклонява не само траекторията на частиците, но и самата светлина.

Така че светлинният лъч няма да се движи в права линия, а по-скоро ще се превие преди окото ни да го улови. Къде наблюдателят ще види галактиката? Може да реагирате. Тук горе, нали? Правим изчисленията и предполагаме, че галактиката е тук. Възможно ли е друг лъч светлина да навлезе в полезрението от тази галактика? Да, страхотно. Виждам няколко души да кимат. Значи лъчът може да отиде надолу, да се превие в противоположна посока, и после да навлезе в полезрението на наблюдателя.

Сега, имайте предвид факта, че живеем в триизмерна Вселена, триизмерно пространство. Могат ли други светлинни лъчи да достигнат окото? Да! Те биха изглеждали като събрани във фуния. Така че имаме група от лъчи -- сноп от лъчи -- който ще бъде превит от клъстера и ще достигне до наблюдателя. Ако цял сноп лъчи навлезе в зрителното ни поле, какво ще видим? Окръжност, кръг. Нарича се пръстенът на Айнщайн -- той го е предсказал. Ние ще видим този пръстен, само ако източникът, препятствието и окото се намират в идеално права линия. Ако траекторията малко се изкриви, ще видим друг образ.

Може да направите експеримент довечера на приема, за да видите как ще изглежда. Защото се оказва, че може сами да си направим лупа, която има идеалната форма да възпроизведе този ефект. Наричаме я гравитационна леща. Така, това е вашия материал. ... Горната част не ви трябва. Концентрирайте се върху поставката. Така че, ако счупя винена чаша у дома, не изхвърлям долната част, а я занасям на майстор. След като я полира, моята малка гравитационна леща е готова. Има правилната форма да възпроизведе опита. Следващото нещо, което трябва да направите, е да вземете салфетка. Аз използвах милиметрова хартия, нали съм физик. Значи, салфетка. Нарисувайте малка галактика по средата. Поставете лещата върху галактиката и ще видите пръстенът на Айнщайн. Сега, преместете леко настрани -- и пръстенът ще се раздели на отделни арки. Може да изпробвате метода с други изображения. Забележете как линиите на милиметровата хартия се разкривиха. Това е едно доста точно пресъздаване на това, как действа гравитационната леща.

Така, въпросът е: виждаме ли всичко това в небето? Виждаме ли подобни арки, когато наблюдаваме клъстер от галактики? Отговорът е : да. Нека видим снимка, направена от телескопа Хъбъл. Много от снимките, които виждате, са също от Хъбъл, направени преди време. Да започнем с галактиките със златен ореол -- това са галактиките в клъстера. Те са тези, обхванати в морето от тъмна енергия, които предизвикват прегъването на светлината да причинява оптични илюзии (или миражи) на галактиките, които са на заден план. По същество отблясъците, които виждате, са изкривени отражения на галактики, които се намират доста по-далече.

Това, което правим, се базира на степента на изкривяване на тези отражения, т.е. можем да изчислим колко маса има в клъстера. Получаваме огромни числа. Сигурно и вие забелязвате, че светлинните арки не са съсредоточени върху единични галактики, а около една по-голяма структура. Това е тъмната материя, която обгръща клъстера. Tова е най-лесният начин да добиете представа с просто око какъв ефект има тъмната материя.

Да преговорим набързо, за да знам, че сте разбрали. Доказателствата, с които разполагаме за това, че съставът на една четвърт от Вселената е тъмна материя -- вещество със силен гравитационен ефект -- е, че скоростта, с която звездите обикалят около галактиките е прекалено висока; трябва да са обхванати от тъмна материя. Скоростта, с която галактиките се движат в орбита в клъстера е също прекалено висока; би трябвало да са заобиколени от тъмна материя. Видяхме и ефектите от гравитационното изкривяване. Те доказват отново, че клъстерите са обхванати от тъмната материя.

Добре. Сега да обърнем внимание на тъмната енергия. За да разберем същността й, трябва да дискутираме това, на което Стивън Хокинг се позова в лекцията си. А то е, че Космосът се разширява. Нека си представим част от безкрайната Вселена, а тук да поставим четири спирални галактики. Сега си представете това пространство разграфено така, че всяка линия да съответства -- хоризонтално и вертикално -- на местоположението на обектите. Ако го направим, ще открием че всеки ден, година, с течение на милиардите години разстоянието между галактиките се увеличава. И това не се случва, защото галактиките се отдалечават една от друга в пространството; не всички обезателно се движат. Те се раздалечават, защото пространството расте само по себе си. Това се нарича разширяване на Вселената. Обектите се отдалечават едни от други.

Стивън Хокинг още спомена, че след Големия Взрив Космосът е започнал да се разширява със страхотна скорост. Но тъй като гравитационно привличащата материя e също част от пространството, тя предполага забавяне на разширяването. С течение на времето то се забавя. През последното столетие се водеха спорове, дали разширяването на Вселената ще продължава вечно, дали ще намалее, или ще се забавя, но няма да престане. Може постепенно (или инцидентно) да спре, може да се забави, спре, после в обратен ред отново да се свие. Преди малко повече от десет години два екипа от физици и астрономи се заеха да измерят степента, с която Вселената забавя разширението си. С други думи, колко по-бавно се разгръща днес, в сравнение с няколко милиарда години назад.

Потресаващият резултат от тези експерименти бе, че Космосът днес се разширява по-бързо, отколкото преди няколко милиарда години. Т.е. скоростта не се забавя, а увеличава. Това беше напълно неочакван отговор. Няма убедително теоретично доказателство защо това е така. Никой не можеше да предположи, че откритието ще бъде такова. Това беше точно обратно на очакваното. Трябваше ни нещо, за да можем да си го обясним. Оказа се, че в математиката може да се изчисли като вид енергия. Само че това е доста по-различен вид енергия от тази, която познаваме. Нарекохме я тъмна енергия, и тъкмо тя е причината Космосът да се разширява. Въпреки това не можем да се мотивираме достатъчно, че тя съществува. Нямаме обяснение за нейното съществуване.

Веднага искам да подчертая, че преди всичко, тъмната материя и тъмната енергия са две напълно различни неща. Те са двете мистериозни съставки, които образуват по-голямата част от Вселената, и всяка една от тях има различно въздействие. Поради гравитационното си привличане, тъмната материя има склонност да въздейства върху растежа на структурите. Галактическите клъстери се формират именно поради този ефект на гравитационно привличане. От друга страна, тъмната енергия постоянно увеличава пространството между галактиките. Тя намалява гравитационното привличане помежду им и по този начин възпрепятства растежа на структурите. Така че ако наблюдаваме например галактическите клъстери -- доколко плътността им се увеличава, и как броят им нараства като функция на времето -- можем да научим как тъмната материя и тъмната енергия си противодействат една на друга във формообразуването.

Както споменах, от гледна точка на тъмната материя, ние нямаме убедително доказателство за наличието на тъмна енергия. Съществуват ли такива за самата тъмна материя? Отговорът е: да. Разполагаме с добре обосновани доводи за нея. Какво имам предвид под "добре обосновани"? Това, че имаме математически логични теории, които използвахме, за да обясним съвсем различен феномен, теории, за които дори не съм споменала, всяка от които предрича съществуването на нова частица със слабо взаимодействие.

Така става във физиката: откритията идват от математически последователни теории, които обикновено са предназначени за нещо друго. Не сме съвсем сигурни, дали наистина сме открили истинския кандидат за тъмна материя. Може би един или два стават, кой знае? Може пък да е нещо съвсем различно. Опитваме се да открием кои са частиците на тъмната материя, защото в края на краищата те са тук в залата, и не са влезли през вратата. Те преодоляват всичко. Могат да преминат през тази сграда, през Земята; за такова слабо въздействие става дума.

Един от начините да ги открием, е да измайсторим детектор, който да е изключително чувствителен при съприкосновение с частици на тъмната материя. Например кристал, който да зазвъни, когато това се случи. Недалеч оттук, един мой колега и неговите сътрудници построиха такъв детектор. Поставили са го в една желязна мина в Минесота дълбоко под земята. Всъщност, преди няколко дни детекторът даде най-сполучливите резултати. Визуално нищо не се е променило, но все пак са поставени параметри за масата и силата на въздействие на частиците тъмна материя. По-късно през годината ще бъде стартиран спътников телескоп. Той ще бъде насочен към средата на галактиката, за да видим евентуално унищожаване на частици тъмна материя и превръщането им в гама лъчи, които да можем да засечем. Големият Адронен Ускорител (ГАУ), ускорителят на частици, също ще бъде пуснат по-късно тази година. Възможно е в ГАУ да могат да се създадат частици от тъмната материя.

Тъй като взаимодействието им е много слабо, детекторът няма да може да ги засече, затова знакът за тяхното съществуване ще е липсващата енергия. За съжаление, за много неща от съвременната физика можем да кажем същото, така че е трудно да се долови разликата. Накрая, за бъдещите ни усилия ще се проектират телескопи, които специално да се занимават с въпросите за тъмната материя и тъмната енергия: те ще са на Земята. Има и три телескопа в Космоса, които чакат да бъдат монтирани, и които ще изследват тъмната материя и тъмната енергия. Така че големите въпроси са: Какво е тъмна материя? Какво е тъмна енергия? Това са големите въпросителни пред физиката. Сигурна съм, че и вие също имате много въпроси, на които ще се радвам да отговоря докато съм тук през следващите 72 часа. Благодаря.